电力电子变压器PET在电力系统电力系统中的应用【报告】.docx

电力电子变压器PET在电力系统电力系统中的应用报告摘要错误!未定义书签。一、绪论2(-)研究背景2(二)电力电子变换技术在电力系统中应用现状2二、PET工作原理和实现方案2(-)PET工作原理2(-)PET实现方案3三、PET通用数学模型和控制策略5(-)PET数学模型5(_) PET控制模型7四、PET在配电网中的应用10(-)PET输入输出特性10(二)PET在改善电能质量中的应用12(三)PET在微电网中的应用14结论15参考文献15四、PET在配电网中的应用(-)PET输入输出特性本节不涉及总线电压转换，而是仅考虑负载变化对PET输出电压和输入电流波形的影 响。在Matlab/Simulink仿真环境中，根据图3-2和图3-3给出的结构图，建立IOkV/380V降 压型PET仿真模型。主要模拟仿真参数如表4-1所示。表4-1仿真电路主要参数参数数值单位母线电压频率50HzPET容量2000kVA输入级电感(包括线路)5mH直流滤波电容5000uF输出级滤波电感2mH输出级滤波电容470uF中间级局频变压器工作频率20kHz图4-1和4-2显示了PET空载和满载A相输出电压的波形。400-400 1111''0 290.30 310.32 z 0.330 34 0.350.360.37x 10(b)单相输入电压和电流图4-2 PET满载时仿真图图4-2中，可以得知，电力电子变压器空载或是满载，都不会影响到电压的稳定输出， 同时从畸变程度上来看，空载满载时的畸变率相差不大，并不影响电力电子变压器的波形 输出。从图4-2 (b)可以看出，当负载出现波动时，电力电子变压器可以调节电压电流输 出相位相同，减少无功功率，降低输电途中的损耗。图4-3可以得知，当负载突然发生变化时，从4800W纯阻负荷切换为0.8功率因数， 有功分量3000w的阻感负载，电力电子变压器输出电压会发生波动，但变化时间非常短， 并不会对变压器正常工作造成影响。(a)输出相电压(b) 0.3s处放大图图4-3不同负荷切换时仿真曲线通过模拟分析得出，电力电子变压器只要具有适当的控制策略，它不仅可以控制输入侧功率因数，减少输电损耗，还可以承受突然负载变化带来的冲击影响。同时电力电子变 压器输出电压与其变压器负载无关。(-)PET在改善电能质量中的应用.电压波动与闪变电网中母线出现电压波动或闪变，可以理解为电压中存在异常非整数倍谐波的影响。 假设在电力电子变压器初级侧母线电压出现频率为10Hz,出现副值为母线电压10%的间 谐波，其仿真结果如图4-4所示。o e 0.60 40.20 290.30.310.32 0.33 0.34 0.35 0 36 0.37t/S0 290.30.310.32 0.33 0.34 0.35 0 36 0.37t/Sx 10M ° -0 2-0.4-0.6-0.8t/s(b) PET输出相电压图4-4母线电压波动时的仿真曲线从图中可知，母线波动是由于受到间谐波干扰导致的异常,次级的输出电压不受影响， 可以保证负载的正常供电，有效隔离电压波动对母线供电的影响。1 .谐波图4-5显示PET的初级侧母线电压包含大量谐波(谐波5, 7和11主要添加到基波中, 其幅度对应于标称值的20%)模拟输出电压。400300200100 > 三0-100-200-300-400图4-5母线电压含大量谐波时的仿真曲线图4-5显示，尽管母线电压受到谐波的影响，已经不能输出完整的正弦波形，但电力 电子变压器的输出电压始终确保良好的正弦波形，说明输出电压并不会受到母线谐波的干 扰。2 .三相电压不平衡图4-6,当母线电压三相电压不均衡时，电力电子变压器为负载供电时的输出电压。在图4-6 (a)中，相电压A仅代表额定值的60%,导致三相电压不平衡。然而，并不影响电(a) PET输入相电压(a) PET输入相电压力电子变压器的三相输出电压，波形良好，如图4-6 (b)所示。400(b) PET输出相电压图4-6电网电压不平衡时仿真曲线除了常规功能(如电压转换和传统变压器的隔离)之外，电力电子设备还可以执行能 量质量控制。当电源电压摆动，母线出现谐波或是三相电压不平衡时，电力电子变压器输 出电压仍然不受到任何影响，还是输出正弦波形的稳定电压。(=)PET在微电网中的应用微电网的主要优点之一是它可以在主电网故障或能量质量不满足功率要求的情况下， 以孤岛模式运行，从而确保敏感负载不间断供电，提高电源的可靠性和安全性。简单微电 网系统的结构如图4-7所示。风力 发电图4-7微电网的基本结构具有电能容量小和功率波动特点的微电网系统，在频率控制方面那么更加困难，特别是 在主电网和微电网别离之后，微电网的运行频率变化差异更大，使得敏感负载不能正常工 作。在可再生能源研究中，风能的开发和使用一直处于最前沿的阶段，为了简化分析，本 节介绍的微型网络模型没有考虑其他形式的新能源模型。本次模型构建了基于双感应异步感应发电机的风力机模型，如图4-8所示。在该图中， 微电网通过并网变压器To连接到无限供电系统，负载由微总线和主总线通过变压器T同时 供电。微总线的总线电压为10千伏，无线电总线电压为35千伏。负载所需的负载为2兆 瓦，风机提供的功率为L5兆瓦，剩余的0.5兆瓦由外部电网提供。图4-8含双馈风机的微电网并网示意图当连接到并网变压器T。发生故障时，微电网离开外部电网，并形成孤岛电力系统。此 时，负载实际的有功功率立即降低0.5兆瓦，并且在孤岛系统形成的初始阶段，负载实际 缺失的有功功率无法得到弥补。有功功率缺乏会导致孤岛系统的整体工作效率降低。如果 使用常规的电力变压器为负载供电，那么无法正常工作。具有能量存储单元的PET为负载供 电，暂时提供孤岛系统的有功功率，可以保证PET输出频率的稳定性。传统变压器的输出电压明显受电源故障的影响，然而电压频率急剧下降，PET基本不受影响。(a) PET向负荷供电(b)常规变压器向负荷供电图4-9孤岛电力系统频率变化仿真图结论PET是一种新型的智能电力变压器：通过电子电力设备和高频变压器的联合工作，高 频电压互感器和传统电力变压器的电力传输功能，PET具有以下三大显着优点：(1)可提 供稳定的次级侧输出电压，不随负载变化而变化，输出电压平稳可调；(2)初级侧电压的 特殊条件，如谐波，单相接地故障和不完全条件相位操作和电压降等，可能起到更好的抑 制作用，保证次级侧的输出电压基本恒定；(3)可以输入或输出无功功率，防止长距离电 网无功传输，减少线路损耗。参考文献口张祥龙，周辉，肖智宏，etal.电力电子变压器在有源配电网无功优化中的应用J.电 力系统保护与控制，2017(4).史辉，刘立平.电力电子变压器的开展及应用综述轻工科技，2010, 26(5):41-42.陈永杰，赵奇，唐日强.电力电子技术在变压器设计中的应用与分析J.智能城市， 2017(11):38-39.王绍强.电力电子变压器在电力系统中的应用J.电子技术与软件工程， 2014(7):176-176.5张甜.电力电子变压器设计J.工业控制计算机，2017(12):152-153.白杰，张永胜，梁辉.电力电子变压器在改善电能质量中的应用0 2013年中国电机 工程学会年会.0.张可心，李丹.电力电子技术在电力系统中的应用J.科学技术创新，2014(16):93-93. 李西娟.电力电子技术在电力系统中的应用J.山东工业技术，2016(4):149-149.、绪论(-)研究背景随着强大智能电网的不断开展，省市网络之间的壁垒检查将逐步取消，跨区电网的建 设将进一步加强。在实现资源的最正确分配的同时，大型和超大型电网的出现也需要对电网 的安全和稳定运行进行非常大的测试。同时，可再生能源如风力发电及太阳能发电中的获 得能源供应的形式发现越来越多的应用，这也意味着，能量系统的电源形式从常规AC电源 切换到几种形式的能量产生的。这产生一系列的能量转换和控制方面问题。信息技术的快 速开展，大量高新技术设备接入电网，增加了对电能质量的需求。然而，现代电力系统中 的电力质量问题，在接入非线性负载时变得越来越复杂。因此，如何为用户提供标准电源 以及如何确保电气设备安全可靠运行的问题已成为电网研究领域的一个重要课题。电力变压器是电力系统中最基本，最重要的电力传输和变换装置，主要用于增加和降 低电压并实现系统隔离效果。虽然对于导磁材料和芯结构而言，常规的功率变压器具有一 系列的改进功率转换，提高功率的功能。(-)电力电子变换技术在电力系统中应用现状第一台商用晶闸管被通用公司设计出来并量产，标志着新兴技术和电力电子技术的开 始。自20世纪60年代以来，以晶闸管为代表的高功率半导体开关器件，已经能够执行各 种开关模式转换和功率控制。这标志了电子，控制技术和能源技术相结合的电力电子学的 诞生。电力电子技术涵盖电子电力转换和控制技术，在传统能源技术领域引入现代电子技 术和控制技术，使用半导体开关设备和用于执行电力系统电压转换和能量传输的集成电路。对具有电子功率开关的补偿器和功率控制器的研究是另一个重要的研究领域。在接下 来的几十年中，这项研究将广泛应用于电力系统的生产，输电，变电和配电，并能有效地 提高系统的能源质量。基于高功率电子技术的各种电力电子设备已广泛应用于输配电系统, 导致电力系统运行方式发生了改变。二、PET工作原理和实现方案(-)PET工作原理由于目前在电力系统中使用的电力设备具有比传输系统更低的容量和电压电阻，因此 预期电子电力变压器将在配电领域得到广泛应用。图2-1为PET三种主要结构。单极式PET两极式PET三极式PET图2-1 PET三种主要结构随着国内外对PET的深入研究，研究人员提出了大量不同形式的拓扑结构，通常可分 为三种结构：单极，两级和三级，单级PET中没有直流链路：输入电压直接转换为高压侧的高频信号，通过高频变压器 信号耦合到低压侧，最后反转为AC信号，基本上是AC/AC流程。由于没有高频变压器，所 以两级PET的输入电压首先被连续整流，最后由逆变电路转换为AC信号。三级PET的工作 原理是首先将输入电压整流成直流高压信号，然后通过逆变电路将其转换为高频方波，并 通过在高频变压器中耦合后，在逆变电路被转变为DC低压信号。最后，DC低压信号通过 逆变电路反转为AC输出信号。这三种结构中的每一种都有优点和缺点，并且都可以执行基本功能，但具体效果是不 同的。相对而言，三级PET结构提供最正确的整体性能且对电能控制性较好，这是PET拓扑 结构研究的主要趋势。通过适当的控制算法，可以控制PET两侧的激活和停用，以及控制 AC侧电压的幅度和相位，从而允许灵活调整PET的初级侧和次级侧的电压和电流以及功率 的双向流动。(-)PET实现方案PET的具体实现方案可分为两类：第一类是电子电源转换过程中没有直流链路，即为 AC/AC型PET,第二种是电力电子转换中存在直流链路为AC/DC/AC型PET,如图2-2所示。工频交 流输入 工频交 流输入 一次侧电力电子变换器二次侧电力电子变换器(a)无直流环节PET次侧电力电子变换器二次侧电力电子变换器(b)含直流环节PET图2-2 PET二级三级实现方案1 . AC/AC型PET拓扑结构和工作原理如图2-2所示，二级PET拓扑结构简单，所以其功耗较低，易于实现。这是早期PET研 究的关键结构。此结构在减小变压器的尺寸和重量上效果，非常明显，主要是用于降低生 产制造本钱，并不具备改善电能质量的性能。其工作原理如下：一旦AC高压高频信号被输 入到PET,它被调制成高频信号，根据PET初级侧是实现AC-AC转换。一旦高频交流信号 耦合到由所述高频变压器次级侧的电压被降低，并转换成经由高功率电子变压器的AC-AC 转换的低频工频交流电压信号来执行电压变换。其拓扑结构的优点在于结构简单，降低了变压器本钱。缺点是在工作过程中，电流可 能被中断，增加电压中谐波数量，影响电能质量。比拟适用于功率的电网系统。然而，由 于没有中间DC链路，不可能灵活地调整初级侧和次级侧的电压和电流，因此不能调节电能 的质量。在一些能源质量要求高的应用中，其应用价值不高。2 .AC/DC/AC型电力电子变压器拓扑结构和工作原理由于现在大多数高科技产品对用电质量要求都非常苛刻，PET的研究方向主要是优化 电能质量，提高传输效率。图2-3是一种典型的AC/DC/AC型PET拓扑结构。图2-3典型交直交型电力电子变压器拓扑结构其工作原理如下：PET初级侧三相高压接入，输入电压整流成直流高压信号，然后通 过逆变电路将其转换为高频方波，并通过在高频变压器中耦合以获得电压幅度变化并且被 传输到PET的次级侧。经过高频变压器变换的高频方波首先通过次级侧的单相整流器，成 为直流电压。最后,DC电压降低到完全控制的三相转换器所需的交流电压输出。可以看出， 这种两局部正交变换过程是有效的。PET在初级侧实现升频的操作，再次耦合，次级侧使 用AC/DC/AC转换，执行降频功能。由于PET的AC/DC/AC拓扑结构中需要大量高功率电子器件，因此有两个DC环节，可 以使AC/DC/AC型PET正确控制和提高电流质量。然而，它受到当前电力电子产品制造水 平的限制。对于某些高功率应用，在这种拓扑结构中使用PET需要串联使用功率器件来解 决耐压问题。这将导致诸如电压均衡和一系列器件的可靠性之类的问题，使得设计更加复 杂，图2-4是其中一个解决方案。低M级q中图2-4输入级级联PET该方案利用单个高频变压器解决了电压的双向流动这一核心难题。其工作原理与通用 AC/DC/AC模型类似，具体如图2-2所示。其区别在于高压输入电平采用的是单独的串联 电桥模块来提高整体输入的电压电平。但是这个方案也并非区域完美，其中最大的缺点是 三相输出以及单相输出，无法完全控制输出侧的电流特性。因此不适合三相供电系统。此 外，由于该系列模块的技术，中间隔离的高频变压器是一个带有多个绕组的特殊变压器, 提高了变压器的造价。三、PET通用数学模型和控制策略(-)PET数学模型一般在大功率电网中，应用的电力电子变压器的电压源变换器，用IGBT、IGCT为开 关元件，图3-1 (a)是三相电压源变换器结构图;图3-1 (b)是单相电压源变换器结构图。4Ho(a)三相VSC(b)单相VSC图3-1电压源变换器等效电路为了简化分析，根据图3-2取等相位桥臂。在图3-2中，均衡开关由理想开关Sa和Sa，代替。Qir：输入线路电阻 L：输入滤波电感 Sa、S,a：等效上下 桥臂开关 公：功率器件等效 电阻 Cdc：直流滤波电容图3-2单桥臂等效电路Sa功能定义如下：Sal表示Sa开关闭合，Sa=O表示Sa开关断开，Sa，的定义与Sa的定 义相反，即SaO表示Sa开关闭合，Sa=l表示Sa开关断开。在正常的电压源变换器中， 上臂Sa和下臂Sa'的开关位置是互补的。也就是说两个切换功能具有以下关系：% +，=1T dia .Lr+ria=Usa-Ua atUa = UFH + UHO电忧 FH =、由(3-1)和(3-2)式可得：diL = 一乜 (UdcSa + H0)+ Usa at式中7=r+G;L笠=一7汇_QdcS+沈 HO )+ Usbatdi。 . z c 、乙丁 二 -rEic -udcSc +uH0) + u at有电力系统三相对称性，有：K+m=°(3-5)得：H0=(dc/3)£s,j=a,b,c“Sa+(-公/3 fSj +uskj=a,b、c丁一"(3-1)(3-2a)(3-2b)(3-2c)(3-3)(3-4)(3-5)%+%+%c=0,所以根据式(3-3)和(3-6)(3-7)对直流环节电容建立动态方程如下:C dUdc =;de i. "de at.0ldc ld ld2 =乙 lk、k 一%2 k=a,b,c(3-8)(3-9)式(3-7)(3-9)即为三相电压源变换器数学模型。在上述电压源变换器数学模型中，由于开关函数S的存在，不能具体分析电压源变换器 的动态和静态性能，无法对控制器进行设计。因此，对单独一个开关的函数分解如下：coSl4+X(-i)n=sin(4m cos(2%) n兀(3-10)式中，dk是开关函数S的平均值;k=a, b, c;R为PWM开关频率。考虑三相系统得:£Sk = k=a ,b ,c00X )k=a、b,c n= _k=a,b,csin(4乃)cos(n69/) n兀(3-11)将开关函数平均值dh进一步在工频周期下展开，得到: 1 HZ2 4 Idk =1COS(COt 0 j) k_ _0 kb 7-1 k-c 7-22 23(3-14)r di. mu. / 八 .2、/、L- = uskrElkcos("tf - e - ./飞-)j六o六2(3-15)对于通用AC/DC/AC型电力电子变压器，由等式(3-12), (3-13)和(3-14)给出的数 学模型可用于描述电压源变换器环节。(-)PET控制模型本文件中提出的控制策略适用于配电系统中的PET,图3-3为PET应用结构图。图3-3 PET应用于配电系统结构图电气系统中的PET主要是用来提高电力系统的能量质量。因此，PET控制策略主要响应 能源用户的能源质量需求，接下来将详细分析配电网中要控制的质量情况。1PET等效工作模式对于用户而言，希望获得理想且稳定的电网供电电压。这主要表达在电压波形失真， 谐波含量低，电压不间断，没有短期电源故障，电压质量合格，没有过压或欠压，电压频 率与电气设备的频率一致。因此，对于用户，PET的次级侧可以等效于电压源以提供稳定 的电压。对于高压电力系统，供电的同时，不希望用电力设备产生的大量谐波回返电网，从而 影响电力供应质量。同时，为了减少传输线中的能量损失，必须减少线路中的无功功率传输。因此，电力系统的初级侧要求系统传输的电流是对称三相正弦电流，同时，母线电压 和注入电流的相位应尽可能保持相同。也就是电力电子变压器输入端电流具有很强的控制 作用。在初级侧和次级侧电压源模式下电力电子变压器等效电路如图3-4所示。图3-4 PET等效电路控制模式的优点为：（1）在母线和负载之间进行隔离，使母线电能质量不会受到谐波 干扰；（2）通过调整功率因数，减少无功率传输；（3）可以控制输出电压大小，以满足不 同负载的需要；（4）分别控制电力电子变压器的初级侧和次级侧。PET的具体控制方案众多，控制算法也有非常多类别，并不好进行统一分析。本文仅 考虑了PET的输入和输出特性。图3-5说明了PET如何调整电能质量的拓扑结构。电心 卡卡图3-5三相四线制电力电子变压器主电路拓扑图图3-5为直流环节的电力电子变压器拓扑图，由三局部组成：初级侧输入级，中间隔 离级和次级侧输出级。输入级使用三相可控电压整流器将AC变换为DC。隔离级由三局部 组成：一个与输入级串联的单相控制器，一个高频变压器，三个与输出级串联的单相整流 器。单相整流器需要三个的原因是可以自由调整电力电子变压器输出电流。输出级由三个 电压源变换器组成，采用电压源控制模式控制输出电压。为实现上述理想的两级电力电力变压器供电方式，电压源变换器输入级的控制策略必 须采用电压控制方案，充分利用可控电压源的功能。2.PET控制策略（1）电流内环控制方案理论上，两相高频整流可以实现输入电流为正弦波，并可以调节输入功率因数，从而 采用PET的初级侧VSC进行三相高频整流，运用直流外环、交流内环的双环控制方案。图3-6 PET初级侧VSC电流内环控制系统一旦通过独立去耦控制当前内环，电流控制器可以分别执行命令d, qo图3-6显示了 简化后初级侧VSC内部回路控制系统。因此,d轴、q轴的独立性使得可以得出电流控制环d, q的开环传递函数，并相应地定义电流控制器的参数。VSC数学模型VSC数学模型电流内环控制器图3-7简化后的初级侧VSC电流内环控制系统(2)中间隔离阶段控制策略PET中间隔离阶段的作用是将输入级DC电压转换为高频方波信号，然后在高压变压器 转换后，高频信号耦合到PET的次级侧。然后将其整流为DC电压。由于中间隔离步骤不涉及PET操作期间的电压和流动电流的质量控制，因此该阶段的 控制原理相对简单。中间隔离级采用PET初级侧单相逆变器局部的开环控制，将DC电压反 转为占空比为50%的高频信号，PET次级侧通过二极管不控制整流电路，将AC电压快速转 变为DC电压，同时电能无损耗。这种设计让控制系统更加容易实现并解决了同步问题。(3)输出侧控制策略通过分析根据电子变压器，可以看出，电子变压器功率的输出级的输出相电压必须恒 定，无论负载的对称或不对称的负载，输出波形为正弦波，波形质量需要很高的质量。基于所述外环瞬时电压值和电流的内环瞬时值的双回路控制策略的原理如下：电压外 环是基于所述正弦波与输出电压比拟后，误差信号被调整后，将控制回路的输入参考值与 反应电容器电流进行比拟，以获得电流的瞬时误差信号，然后通过PI命令将其与三角波进 行比拟，以产生SPWM信号，控制变频器的运行。